Батареяның ұзақ циклдық жұмыс істеу көрсеткіші бар-жоғын қалай тексеруге болады?

Ұзақ циклдық өнімділікті түсіну: Анықтамасы және Негізгі Метрикалар

Литий-ионды Батареялардағы Ұзақ Циклдық Өмір Дегеніміз Не?

Ұзақ цикл өмірі деген термин негізінен батареяның жүздеген зарядтау және разрядтау циклдарынан кейін пайдаланылатын қуатын қаншалықты жақсы сақтай алатынын сипаттайды. Нақты литий ионды батареялар туралы айтқанда, ол бастапқы көлемінің бар болғаны 80%-ына дейін төмендегенге дейін (шамамен 80-ден 100%-ға дейінгі толық зарядтар) қанша рет шыдай алады, - бұл көрсеткіш бизнес саласында көптеген адамдар батареяның сенімсіздік басталғанын көрсететін нүкте деп есептейді (бұны 2023 жылы Ponemon Institute хабарлаған). Осындай циклдардан жақсы өнімділік алу үнемі ауыстыруды қажет етпейтін ұзақ уақыт қуат қажет ететін құрылғылар үшін өте маңызды. Мысалы, шақырымнан шақырымға дейін жүріп жатқан электромобильдер немесе энергия торабының бүкіл желілерінде қалпына келтірілетін энергияны сақтау үшін қолданылатын үлкен масштабты батареялық банкті ойластырыңыз.

Зарядтау-разрядтау циклдары мен сыйымдылықты сақтау арасындағы байланыс

Әрбір зарядтау және разрядтау кезінде химиялық өзгерістер электродтар мен электролит материалдарының ішінде болғандықтан, аккумуляторлардың энергия сақтау қабілеті баяу төмендейді. Біз цикл сайын тереңірек разрядтайтын болсақ, осы құрылғының тозуы әлдеқайда тезірек жүреді. Шынайы цифрларға назар аударыңыз: сыйымдылығының 90% деңгейіне дейін разрядталатын аккумуляторлар, 50%-ға дейін разрядталатындармен салыстырғанда, әдетте өмірінің соңына шамамен 40% ертерек жетеді. Тереңдікті разрядтау мен аккумуляторлардың қанша уақыт жұмыс істейтіні арасындағы теңдестік — уақыт өте жоғары өнімділік алуды қалайтын әр адам үшін өте маңызды.

Саланың стандарты: Өмірлік қызмет көрсетудің шектік мәні ретінде 80% сыйымдылық

Батарея бастапқы энергиясының тек бестен төрт бөлігін ғана сақтайтын 80% қуаттылық көрсеткіші — бұл көрсеткіштің астында жұмыс істеу қабілеті мен сенімділігі тез төмендейді, ал істен шығу жиілігі бес есе өседі (IEEE 2023). Бұл стандарт кепілдеу шарттарын, техникалық қызмет көрсету графигін және ауыстыруды жоспарлауды анықтайды.

Ұзақ циклдық жұмыс істеу қабілетін бағалау үшін стандартталған сынақ әдістері

Батарея циклдық қызмет ету мерзімін сынау протоколдарына шолу

IEC 61960 стандарты батареялардың көптеген циклдар бойы қалай жұмыс істейтінін бағалау үшін зарядталу мен разрядталу әдістерін қайталап, бақыланатын сынақтарды қолдануды ұсынады. Зертханалар бұл сынақтарды тездетілген жылжыту процесі арқылы қалыпты уақыттан да тезірек жүргізеді, осылайша бірнеше апта ішінде жылдар бойы пайдаланудан кейінгі нәтижені көре алады. Тұрақтылықты сынау бойынша EN 45552:2020 нұсқаулықтарын сақтайтын орындарда батареяның қызмет ету мерзімі туралы болжамдар көбінесе дәл болады және әдетте шамамен 2% қателік шегінде болады. Бұл батареялардың қызмет ету ұзақтығын сынау кезінде сенімді деректер алу үшін белгіленген стандарттарға қатаң сәйкес келудің қаншалықты маңызды екенін көрсетеді.

Зарядтау-Разрядтау Циклдері: CC-CV және Тұрақты Ток Әдістері

Циклдық сынақта екі негізгі әдіс қолданылады:

• Тұрақты Ток-Тұрақты Кернеу (CC-CV) : Кернеу шегіне жеткенге дейін тұрақты ток беріледі, одан кейін зарядты аяқтау үшін кернеу тұрақты күйде ұсталады. Бұл әдіс тиімділік пен элементтің денсаулығын тепе-теңдікке келтіреді.
• Таза Тұрақты Ток жасауы қарапайым, бірақ кернеу шектерін ескермегенде ұяшықтарға тым көп жүктеме түсіруі мүмкін.

Зерттеулер көрсеткендей, сыйымдылықтың 80% деңгейіне дейін сынау кезінде тек тұрақты токқа қарағанда CC-CV циклдық қызмет ету мерзімін 18% арттырады.

Сынау кезінде Кернеуді, Токты және Ішкі Кедергіні Бақылау

Негізгі параметрлерді нақты уақыт режимінде бақылау баяулау үдерісінің белгілерін ерте анықтауға мүмкіндік береді. Маңызды метрикаларға мыналар жатады:

Автоматтандырылған жүйелер ұзақтырулы сынақ кезінде аномалияларды белгілеу және сыйымдылықтың нашарлау үрдісін анықтау үшін ASTM F3283-17 стандарттарын қолданады.

Зертхана мен Шынайы Жағдайлар: Модельдеу Айырмашылықтарын Шешу

Зертханалық сынақтар, ережеге сай, бір градус айырмашылықпен 25 градус Цельсий шамасындағы бақыланатын ортада жүргізіледі, алайда нақты өмірде аккумуляторлар әртүрлі температуралық өзгерістер мен жұмыс көлемінің тербелісіне ұшырайды. Аса ыстық немесе аса суықта аккумулятордың жұмыс істеу уақытының қаншалықты тез қысқарғанын ойланып көріңіз. AAC-тың 2023 жылы жариялаған зерттеуіне сәйкес, мұндай температура өзгерістері ғана аккумулятордың тозуын 35%-ға дейін жылдамыта алады. Жақсы жағы – заманауи сынақ әдістері барынша ақылды болып келеді. Көптеген қондырғылар қазір теориялық модельдерге сүйенудің орнына минус 20-дан плюс 60 градус Цельсийге дейінгі климаттық камералар мен нақты пайдалану үлгілерін қолданады. Бұл тәсіл симуляциялардың дәлсіздігін едәуір төмендетеді және көбінесе қате пайызын шамамен 40%-дан 12%-дан төмен деңгейге дейін түсіреді.

Дәл циклдық сынақ үшін қажетті жабдық

Батарея циклерлері: Ерекшеліктері мен таңдау критерийлері

Батарея циклдауыштары ұзақ циклдық тестілеуге орталық болып табылады және зарядтау-разрядтау тізбегін дәлме-дәл қайталауға мүмкіндік береді. Жоғары сапалы модельдер ±0,05% ток дәлдігін және бағдарламаланатын қоршаған ортаны басқаруды қамтамасыз етеді, бұл BTS-4000 зерттеуімен расталған. Негізгі таңдау факторларына мыналар жатады:

• Параллельді тестілеу үшін көп каналды мүмкіндік
• Жұмыс температуралық диапазоны -40°C-тан +85°C-қа дейін
• UN 38.3 және IEC 62133 қауіпсіздік стандарттарына сәйкестік

Бұл сипаттамалар литий-ионды батареялардың ұзақ қызмет ету мерзімін сенімді және масштабталатын түрде бағалауға кепілдік береді.

Үздіксіз өнімділікті бақылау үшін деректерді жинау жүйелері

Қазіргі заманғы деректерді жинау (DAQ) жүйелері импеданс (0,1 мОм дәлдікке дейін) және энтропия коэффициенттерін қоса алғанда, 15 параметрден астамын бір уақытта бақылайды. Жылулық профильдеу құралдарын интеграциялау тек қана кернеуге негізделген бақылаумен салыстырғанда сыйымдылықтың нашарлауын болжау қателігін 22% азайтады. Маңызды мүмкіндіктерге мыналар жатады:

• жоғары дәлдікті микровольт өлшеулері үшін 24-биттік АЦТ
• Өтпелі оқиғаларды тіркеу үшін 1 кГц-тен жоғары дискреттеу жиілігі
• Нақты уақытта деградацияны бақылау үшін бұлттық талдау

Батареялық циклерлермен бірге DAQ жүйелері энергия тығыздығын (Wh/кг) және мыңдаған циклдар бойы қуат сақталуын (%) кеңінен бағалауға мүмкіндік береді.

Ұзақ циклдық өмір бойы деградация мен денсаулық күйінің (SOH) бағалауы

Ұзақ циклдық жұмыс істеуін тиімді бағалау деградацияны жүйелі түрде бақылауға және денсаулық күйінің (SOH) алдыңғы қатарлық модельдеуіне негізделеді.

Ұзақ зарядтау-разрядтау циклдары бойы сыйымдылықтың 80%-ға дейін төмендеуін бақылау

Литий-иондық аккумуляторлардың көбі жылына қалыпты пайдаланғанда сыйымдылығының шамамен 1-4% азаяды, бірақ жиі зарядтау циклдері осы процесті тездетеді. Зертханалар әр толық зарядтау/разрядтау циклінен кейін қанша энергия бөлінетінін тексеретін стандарттық тестер жүргізеді және температураның өзгеруі мен разрядтаудың тереңдігі аккумулятордың қызмет ету мерзіміне қалай әсер ететінін көрсететін графиктерге осы нәтижелерді түсіреді. Саланың мамандары кейбір арнайы жабдықтар одан да төмен деңгейде жұмыс істеуге мүмкіндік берсе де, аккумулятор өзінің бастапқы сыйымдылығының шамамен 80%-ына жеткен кезде көптеген тұрмыстық қолданыстар үшін оны ауыстыруды ойластыру керек деп бірігіп пікір білдіреді.

Циклдық қызмет ету моделін қолданып денсаулық күйін бағалау

SOH модельдері батареяның ауыстыруға дейінгі жұмыс істеу мерзімін болжау үшін нақты әлемдегі циклдық деректерді электрхимиялық принциптермен үйлестіру арқылы қазір қол жеткізілетін деңгейге дейін дамып жетті. Кейбір жаңа гибридтік тәсілдер 500 зарядтау циклінен кейін де сыйымдылықты болжауды 3% аз қателікпен жүргізе алады, бұл машиналық оқыту әдістерін шынайы физикалық тозу үлгілерімен үйлестіреді. Бұл модельдердің жақсы жұмыс істеуіне себеп — уақыт өте келе кернеудің тербелісі, ішкі кедергінің өсуі мен жұмыс істеу кезіндегі температураның өзгеруі сияқты факторларды талдау қабілеті болып табылады, бұл тұрақты толық калибрлеуді талап етпей-ақ батарея сыйымдылығы туралы дәл болжам жасауға мүмкіндік береді.

Зерттеу мысалы: 1000+ циклден кейінгі EV батареяларындағы SOH болжау

Автомобиль қолданбаларында циклдың басында алынған деректер ұзақ мерзімді өнімділікті болжау үшін өте жоғары дәлдікпен сипаттайды. 2024 жылғы зерттеу бойынша алғашқы 200 циклды пайдалану 1000 циклдегі сыйымдылықты дәл болжауға мүмкіндік береді, болжау қатесі 5%-дан төмен болады. Бұл жоғары сұранысқа ие орталарда сенімділікті қамтамасыз ету үшін үздіксіз бақылау мен деректерге негізделген модельдеудің маңыздылығын көрсетеді.

Ұзақ циклдық өнімділікке әсер ететін негізгі факторлар

Батареяның старение процесі мен циклдық қызмет ету мерзіміне температураның әсері

Температура старение жылдамдығына ықпал етеді және бұл Аррениус қатынасымен сипатталады. 45°C-та жұмыс істейтін батареялар 25°C-тағыларға қарағанда 2,3 есе тезірек тозады (2023 жылғы Батареяның Старениясы бойынша зерттеу), негізінен электролиттің ыдырауы мен қатты электролиттік шекаралық (SEI) қабатының өсуінің жылдамдауына байланысты. Циклдық қызмет ету мерзімін максималдандыру үшін оптималды жылулық жағдайларды сақтау өте маңызды.

Зарядтау/разрядтау жылдамдығы мен разрядтау тереңдігінің (DoD) әсері

Жоғары зарядтау/разрядтау жылдамдықтары (>1C) электрод құрылымдарына зақым келтіретін механикалық кернеуді тудырады, ал терең разрядтау (>80% DoD) активті литийдің жойылуына әкеледі. Жинақталған деректер DoD мен циклдық қызмет ету мерзімі арасындағы айқын кері байланысты көрсетеді:

Стационарлық сақтау жүйелерінде DoD-ны 60% төмен деңгейде ұстау қызмет ету мерзімін екі есе арттыруы мүмкін.

Өнеркәсіптік қолданбаларда жоғары өнімділік пен ұзақ циклдық қызмет ету мерзімін тепе-теңдестіру

Электр көліктер нарығы бізге олардың жұмыс істеуі мен қаншалықты ұзақ қызмет етуі арасындағы классикалық тепе-теңдікті көрсетеді. Жүргізушілер тежегішке күштеп басқан кезде рекуперативті зарядтау жүйесі тезірек жұмыс істейді, бірақ уақыт өте келе батарея анодтарында трещиндер пайда болуы мүмкін. Ал төрт есе қалыптыдан артық разрядталу деңгейінде жоғары жылдамдықпен ұзақ магистральдық саяхаттар қаладағы тоқтап-жүру режиміне қарағанда батареяларды әлдеқайда тез издейді және олардың қызмет ету мерзімі шамамен 18% жылдамырақ қысқарады. Кейбіреулер компаниялар неге шамамен 9-12% құнын арттыратын жылу реттеу жүйелеріне қосымша ақша жұмсайды деп ойлануы мүмкін. Бұл жүйелер жұмыс істеу кезінде батареяларды суытуды қамтамасыз етеді және қызмет ету мерзімін 40% дейін ұзартуға мүмкіндік береді. Ірі автокөлік шығаратын компаниялар да осы мәселеге тез арада түсіне бастады. Олар батареяларды қашан және қалай зарядтау керектігін дәл баптау үшін машиналық оқыту алгоритмдерін қолдануда. Бұл ақылды зарядтау әдістері коммерциялық сақтау қажеттіліктеріне икемделген әртүрлі салаларда қуат шығысын сақтай отырып, календарлық изденуін шамамен 22% азайтады.

Жиі қойылатын сұрақтар

Литий-иондық батареяларда ұзақ цикл өмірінің маңызы қандай?

Ұзақ цикл өмірі электр көзін қайта зарядтау-разрядтау циклдары кезінде пайдаланылатын қуатты қаншалықты тиімді сақтай алатынын анықтайды және электрлік көліктер мен үлкен энергия сақтау жүйелері сияқты тұрақты электр көздерін қажет ететін қолданбалар үшін маңызды.

Температура батарея өміріне қалай әсер етеді?

Температура батареяның тозу деңгейіне үлкен әсер етеді. Температураның шекті мәндерінде батареялар тезірек тозады, бұл тозу процесін жылдамдата алады, сондықтан циклдық өмірді максималдандыру үшін оптималды жылулық жағдайды сақтау маңызды.

Батарея үшін қызметінің соңы порогы ретінде нені қабылдайды?

Қызметінің соңы порогы әдетте батарея өзінің бастапқы сыйымдылығының тек 80% ғана сақтаған кезде болып есептеледі, осы кезде оның өнімділігі мен сенімділігі тез төмендейді.